Difference between revisions of "Aufgaben:Problem 11"

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$$ \frac{d}{dt} \int_{0}^{\infty} \frac{\cos(xt)}{1+x^2} \, dx = \int_{0}^{\infty} \frac{-x \sin(xt)}{1+x^2} \, dx , t \gt 0 $$
 
$$ \frac{d}{dt} \int_{0}^{\infty} \frac{\cos(xt)}{1+x^2} \, dx = \int_{0}^{\infty} \frac{-x \sin(xt)}{1+x^2} \, dx , t \gt 0 $$
 
Proof:
 
Proof:
Dieser Beweis ist nicht ganz trivial. Gebt mir Bescheid wenn ihr eine Idee habt. Eventuell gibt es die Möglichkeit die Fouriertransformierte der Ableitung zu verwenden und dann darauf die inverse Fouriertrafo anzuwenden. Habe aber noch ein Vorzeichenproblem, welches ich mir noch nicht erklären kann.
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Muss mittels gleichmässiger Konvergenz bzgl. dem oberen Grenzwert erfolgen... tbd
  
 
use the proof for \( t>0 \)
 
use the proof for \( t>0 \)

Revision as of 19:17, 26 December 2014

Problem a)

$$f(t)=e^{-|t|} \in L^1(\mathbb{R})$$

Compute the Fourier transform of \(f(t)\)

Solution

$$ \begin{align} \hat f(x) \ &= \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{\infty} \mathrm e^{-|t|}e^{-ixt}\,\mathrm dt \\ &= \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{0} \mathrm e^{t(1-ix)}\,\mathrm dt + \int_{0}^{\infty} \mathrm e^{-t(1+ix)}\,\mathrm dt \\ &= \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \left[ \frac{1}{1-ix}e^{t(1-ix)} \bigg \vert_{t=-\infty}^{t=0} - \frac{1}{1+ix} e^{-t(1+ix)} \bigg \vert_{t=0}^{t=\infty} \right] \\ &= \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \left[ \frac{2}{1+x^2} \right] \\ &= \sqrt{\frac{2}{\pi}} \frac{1}{1+x^2} \end{align} $$

Problem b)

Using the result from a), compute $$ \int_{0}^{\infty} \frac{1}{1+x^2} \,\mathrm dx $$ and $$ \int_{0}^{\infty} \frac{x \sin(xt)}{1+x^2}\,\mathrm dx \ , t>0 $$


Solution

by using inverse fourier transform $$ \begin{align} e^{-|t|} &= \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{\infty} \sqrt{\frac{2}{\pi}} \frac{1}{1+x^2} e^{ixt} \, dx \\ &= \frac{1}{\pi} \int_{-\infty}^{\infty} \frac{e^{ixt}}{1+x^2} \, dx \\ &= \frac{1}{\pi} \int_{0}^{\infty} \frac{e^{ixt} + e^{-ixt}}{1+x^2} \, dx \\ &= \frac{2}{\pi} \int_{0}^{\infty} \frac{\cos(xt)}{1+x^2} \, dx \end{align} $$

thus we can set t=0

$$ \begin{align} 1 = \frac{2}{\pi} \int_{0}^{\infty} \frac{1}{1+x^2} \, dx \\ \Rightarrow \int_{0}^{\infty} \frac{1}{1+x^2} \, dx = \frac{\pi}{2} \end{align} $$

Claim: $$ \frac{d}{dt} \int_{0}^{\infty} \frac{\cos(xt)}{1+x^2} \, dx = \int_{0}^{\infty} \frac{-x \sin(xt)}{1+x^2} \, dx , t \gt 0 $$ Proof: Muss mittels gleichmässiger Konvergenz bzgl. dem oberen Grenzwert erfolgen... tbd

use the proof for \( t>0 \) $$ \begin{align} \ \frac{d}{dt} e^{-|t|} = \frac{d}{dt} \frac{2}{\pi} \int_{0}^{\infty} \frac{\cos(xt)}{1+x^2} \, dx \\ \Leftrightarrow e^{-t} = \frac{2}{\pi} \int_{0}^{\infty} \frac{x \sin(xt)}{1+x^2} \, dx \\ \Rightarrow \int_{0}^{\infty} \frac{x \sin(xt)}{1+x^2} \, dx = \frac{\pi}{2} e^{-t} \\ \end{align} $$